固体吸附驱动下的二元冰真空制备及其强化机理研究

Binary Ice vacuum preparation driven by solid adsorption is a new approach to realize efficient ice-making. By the combination of theoretical, simulation and experimental method, both macroscopically and microscopically, the law of the preparation of the binary ice driven by solid adsorption in the vacuum environment and the variation in the effect of ultrasonic wave and additives alone or coupled will be studied, and the details are as follows: (1) Research on the preparation of the binary ice driven by solid adsorption in the vacuum environment,(2) Research on the adsorption and migration of water vapor and the vacuum maintenance, (3)Effect of additives for the ice crystal nucleation and growth, (4) Facilitation and control of ultrasonic field for the solution flash crystallization, (5)Research on the preparation of the binary ice driven by solid adsorption under the coupling action of the ultrasonic field and the chemical additives, (6)Research on the operation characteristics and energy efficiency of the binary ice vacuum preparation system driven by solid adsorption. The droplets are sprayed into the vacuum ice-making tank and flash into ice. The vacuum maintenance of the tank is assured by the solid adsorption system. Due to the low-grade energy can be used in the adsorption recycling, energy consumption can be reduced and the water, using as the refrigerant in the system is environment friendly. The research results of this project will lay a technical foundation for the practicality of the binary ice technology and bring certain social benefits for both energy saving and environmental protection.

利用固体吸附驱动二元冰真空制备是实现高效制冰的一种新途径，本研究拟从宏观和微观两方面，采用理论、模拟与实验相结合的手段，研究在真空环境下固体吸附二元冰制备规律以及在超声波及添加剂单独或耦合作用下的变化规律，具体包括：（1）真空环境下固体吸附二元冰制备研究；（2）水蒸气吸附迁移及真空保持的研究；（3）添加剂对冰晶成核及生长的影响；（4）超声波外场对溶液闪蒸结晶的促进作用及控制；（5）超声波、添加剂耦合作用下的固体吸附式二元冰制备的研究；（6）固体吸附式二元冰真空制备系统运行特性及能效研究。利用液滴喷淋在真空制冰罐中闪蒸成冰，制冰罐内真空保持主要采用固体吸附系统来保证，由于吸附循环再生可利用低品位能源，减少了能源消耗；本系统利用水作为制冷剂，保护了环境。项目研究成果将为二元冰技术的实用化奠定技术基础，对能源节约与环境保护有一定的社会效益。

利用固体吸附驱动二元冰真空制备是实现高效制冰的一种新途径，研究采用理论、模拟与实验相结合的手段，建立了描述真空下动、静态制取二元冰过程中的传热传质模型，针对吸附效果，冷却液能够带走吸附热，但冷却液的温度并非越低越有利于吸附。综合实验结果的分析，能够对吸附剂质量、液体初始温度（闪蒸室壁温）、系统初始压力及液体初始体积进行合理优化，达到最佳吸附效果及真空制冰工况；从成冰原理出发，研究了冰晶生长机理以及添加剂影响因素，并选择三种主要钠盐和三种常见纳米材料等代表性物质，研究了添加剂在多孔介质下对过冷特性的影响机理，并通过实验控制真空闪蒸室内压强、闪蒸室外环境温度、添加剂种类、添加剂浓度等参数，获得不同制冰效果，达到最佳的制冰工况；基于闪蒸原理、晶体成核机理和固体吸附原理，通过选用合适的溶液，来降低真空闪蒸对真空度的依赖及防止重结晶，进一步调节二元冰的流动性，在水中添加乙醇来降低溶液过冷，以防止重结晶，实验结果显示，和水溶液相比，乙醇溶液闪蒸时达到的稳定压力更低，且随着乙醇浓度的增加，闪蒸室内的稳定压力逐渐降低，闪蒸室内的平均温度稳定时也越低；以盐水基纳米流体为制冰材料，强化水侧传热，提高冰晶形核率，改善冰浆流动性，设计并建立研究固体吸附作用下纳米流体真空喷射制冰的系统，设计实验方案研究吸附作用、纳米流体物性对冰浆生成的影响，结果显示分散均匀稳定的纳米流体，可显著缩短结冰时间，也使溶液过冷度降低程度达37%；建立了真空制冰和超声强化耦合的数理模型。从真空制冰的角度出发，研究了超声空化作用与添加剂（乙醇）耦合作用对冰晶成核过程的影响，结果显示超声波的存在可增强闪蒸强度。项目研究成果为二元冰的技术的工业应用奠定了技术基础，对降低能耗和环境保护有重大意义。目前本项目已在国内外期刊和会议等发表论文22篇，申请专利7项，培养青年教师3名，硕士研究生12名。